Nghiên cứu quá điện áp nội bộ và biện pháp hạn chế khi đóng cắt đường dây dài (không tải và non tải)

PHẠM THỊ PHƯƠNG THẢO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------

PHẠM THỊ PHƯƠNG THẢO

MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ VÀ BIỆN PHÁP
HẠN CHẾ KHI ĐÓNG CẮT ĐƯỜNG DÂY DÀI
(KHÔNG TẢI VÀ NON TẢI)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KHOÁ 2007– 2009

HÀ NỘI, 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------------

PHẠM THỊ PHƯƠNG THẢO

NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ VÀ BIỆN PHÁP
HẠN CHẾ KHI ĐÓNG CẮT ĐƯỜNG DÂY DÀI
(KHÔNG TẢI VÀ NON TẢI)

CHUYÊN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN
MÃ SỐ: 02.06.07

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

HÀ NỘI, 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Tất cả các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng
được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
TÁC GIẢ

Phạm Thị Phương Thảo


-3-

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................ 8
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 11
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ TRÊN
ĐƯỜNG DÂY DÀI........................................................................................ 14
1.1. KHÁI NIỆM. ........................................................................................ 14
1.2. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI

BỘ. ............................................................................................................... 15
1.2.1. Quá điện áp quá độ......................................................................... 16
1.2.2. Quá điện áp duy trì. ........................................................................ 17
1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ............... 18
1.3.1. Nghiên cứu bằng mô hình. ............................................................. 18
1.3.2. Nghiên cứu bằng cách đo ghi các thông số trong điều kiện vận hành.
..................................................................................................................... 20
1.4. NHẬN XÉT. ......................................................................................... 22
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ. 24
2.1. QUÁ ĐIỆN ÁP KHI CHUYỂN MẠCH ĐƯỜNG DÂY NON TẢI ... 25
2.2. QUÁ ĐIỆN ÁP KHI ĐÓNG ĐƯỜNG DÂY HỞ MẠCH................... 32
2.3. QUÁ ĐIỆN ÁP KHI CẮT ĐƯỜNG DÂY KHÔNG TẢI ................... 40
2.3. NHẬN XÉT. ......................................................................................... 42
CHƯƠNG 3: CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ QUÁ ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ.. 43
3.1. XÁC ĐỊNH QUÁ ĐIỆN ÁP LÚC ĐÓNG CẮT ĐƯỜNG DÂY
KHÔNG TẢI. .............................................................................................. 44
3.1.1. Mô hình toán học của các phần tử lưới .......................................... 44
3.1.1.1. Nguồn (hệ thống) ..................................................................... 44


-4-

3.1.1.2. Đường dây ............................................................................... 45
3.1.1.3. Máy biến áp và kháng bù ngang.............................................. 46
3.1.1.4. Máy cắt điện............................................................................. 46
3.1.1.5. Các thông số đặc trưng khác cần cho tính toán ...................... 48
3.1.2. Tính toán quá điện áp lúc đóng đường dây không tải.................... 48
3.1.3. Tính toán quá điện áp lúc cắt đường dây không tải ....................... 51
3.2. DÙNG CHỐNG SÉT VAN.................................................................. 52
3.3. SỬ DỤNG ĐIỆN TRỞ SHUNT KHI ĐÓNG CẮT ĐƯỜNG DÂY

NON TẢI. .................................................................................................... 54
3.3.1. Sử dụng điện trở Shunt khi đóng đường dây non tải. .................... 54
3.3.2. Sử dụng điện trở Shunt khi cắt đường dây non tải......................... 54
3.4. CHỌN MÁY CẮT ĐIỆN ĐIỆN TRỞ SHUNT ................................... 54
3.4.1. Quá điện áp phụ thuộc thời gian và chọn máy cắt điện ................. 54
3.4.2. Ảnh hưởng của điện trở shunt đến quá điện áp.............................. 56
3.5. ĐIỀU KHIỂN THỜI ĐIỂM ĐÓNG TIẾP ĐIỂM MÁY CẮT............. 57
3.6. BIỆN PHÁP GIẢM QUÁ ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ BẰNG KHÁNG BÙ
NGANG ....................................................................................................... 58
3.6.1. Khi đặt kháng ở đầu cuối đường dây. ............................................ 58
3.6.2. Khi đặt kháng ở giữa đường dây.................................................... 61
3.7. BIỆN PHÁP GIẢM QUÁ ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ BẰNG KHÁNG BÙ
DỌC ............................................................................................................. 62
3.8. NHẬN XÉT .......................................................................................... 62
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TRONG
HẠN CHẾ QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ KHI ĐÓNG CẮT ĐƯỜNG DÂY
500kV PLEIKU - ĐÀ NẴNG Ở CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI, NON TẢI....... 64
4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ATP-EMTP. ............. 64


-5-

4.1.1 Giới thiệu chương trình ATP -EMTP trong tính toán chế độ hệ
thống điện. .................................................................................................. 64
4.1.2. Khả năng ứng dụng của chương trình. ........................................... 65
4.2. MÔ PHỎNG ĐƯỜNG DÂY KHÔNG TẢI, NON TẢI BẰNG
CHƯƠNG TRÌNH ATP/EMTP. ................................................................. 65
4.2.1. Mô hình đường dây cần mô phỏng ................................................ 66
4.2.2. Các phần tử sử dụng trong sơ đồ mô phỏng .................................. 66
4.2.2.1. Nguồn....................................................................................... 67

4.2.2.2. Đường dây ............................................................................... 68
4.2.2.3. Điện cảm:................................................................................. 71
4.2.2.4. Máy cắt 3 pha .......................................................................... 72
4.2.2.5. Phụ tải:..................................................................................... 73
4.3. KHẢO SÁT QUÁ ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ KHI ĐÓNG, CẮT ĐƯỜNG
DÂY DÀI NON TẢI, KHÔNG TẢI. .......................................................... 74
4.3.1. Dạng quá điện áp khi đóng đường dây không tải .......................... 74
4.3.1.1. Trường hợp tiếp điểm máy cắt đóng đồng thời:...................... 74
4.3.1.2. Trường hợp tiếp điểm máy cắt đóng không đồng thời: ........... 78
4.3.2. Dạng quá điện áp khi cắt đường dây không tải.............................. 81
4.3.3. Dạng quá điện áp khi đóng đường dây non tải .............................. 82
4.3.3.1. Trường hợp tiếp điểm máy cắt đóng đồng thời:...................... 82
4.3.3.2. Trường hợp tiếp điểm máy cắt đóng không đồng thời: ........... 86
4.3.4. Dạng quá điện áp khi cắt đường dây non tải.................................. 88
4.3.5. Phân bố quá điện áp trên đường dây:............................................. 89
4.3.6. Nhận xét: ........................................................................................ 90
4.4. SỬ DỤNG CHỐNG SÉT VAN ĐỂ HẠN CHẾ QUÁ ĐIỆN ÁP QUÁ
ĐỘ TRÊN ĐƯỜNG DÂY DÀI................................................................... 91
4.4.1. Giới thiệu chung về chống sét van. ................................................ 91


-6-

4.4.1.1. Chống sét van có khe hở SiC:.................................................. 91
4.4.1.2. Chống sét van không khe hở ZnO: .......................................... 93
4.4.2. Mô phỏng dùng chống sét van để hạn chế quá điện áp nội bộ bằng
chương trình ATP /EMTP: ......................................................................... 95
4.4.2.1. Phần tử mô phỏng chống sét van trong chương trình ATP
/EMTP:.................................................................................................. 95
4.4.2.2. Khảo sát sử dụng chống sét van hạn chế quá điện áp nội bộ: 96

4.4.2.3. Tính toán khả năng thông thoát của chống sét van: ............... 98
4.4.3. Nhận xét: ...................................................................................... 100
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................. 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 104
PHẦN PHỤ LỤC......................................................................................... 105


-7-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 - Bội số cực đại của quá điện áp tính toán trên thanh cái khi
chuyển mạch đường dây non tải có chiều dài <400 km phụ thuộc vào đường
dây khác đi ra từ thanh cái khi điều kiện 2T <τ
Bảng 4.1. Các phần tử sử dụng trong sơ đồ mô phỏng đường dây
Bảng 4.2: Thông số của dây dẫn và dây chống sét
Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật máy biến áp 500 kV trong trạm Pleiku
Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật phụ tải
Bảng 4.5: Phân bố quá điện áp dọc theo chiều dài đường dây
Bảng 4.6: Quá điện áp dọc theo chiều dài đường dây trong các trường
hợp


-8-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Phân loại mô hình nghiên cứu quá điện áp nội bộ
Hình 1.2: Thiết bị dùng để nghiên cứu quá điện áp nội bộ
Hình 2.1: Sơ đồ tương đương của lưới để phân tích quá điện áp khi
đóng đường dây:
Hình 2.2: Điện áp trên thanh cái trạm khi đóng đường dây tồn tại điện

áp dư:
Hình 2.3: Điện áp ở cuối đường dây hở mạch của đường dây đang đóng
khi số lượng của các đường dây khác cùng đi ra từ thanh cái trạm:
Hình 2.4: Điện áp tại điểm cuối đường dây hở mạch khi cắt điện có
kèm theo phóng điện hồ quang lặp lại:
Hình 2.5: Đóng đường dây hở mạch tới nguồn điện e(t) = Emsin(ωt + ϕ)
Hình 2.6: Điện áp u (l,t) trên điểm cuối đường dây hở mạch và các
thành phần của nó (Lu/ZC = 0,29; l = 500km)
Hình 2.7: Sơ đồ thay thế hình T của đường dây
Hình 2.8: Sơ đồ thay thế đơn giản của đường dây
Hình 2.9: Quá trình quá độ khi đóng đường dây (ω1/ω=5)
Hình 2.10: Quá trình quá độ khi đóng đường dây (ω1/ω = 2)
Hình 2.11: Quá trình quá độ khi đóng đường dây (ω1/ω = 0,5)
Hình 2.12: Sự phụ thuộc Kyg vào pha sẽ đóng mạch trong mạch dao động
đơn giản
Hình 2.13: Điện áp quá trình quá độ khi cắt đường dây có chiều dài lớn
không có kháng bù ngang: 1) Sức điện động nguồn, 2) Điện áp trên thanh cái,
Hình 2.14: Quá trình quá độ khi cắt đường dây với một lần phóng hồ
quang lặp lại h (U0: Điện áp dư):


-9-

Hình 2.15: Điện áp quá trình quá độ khi cắt đường dây có chiều dài lớn
có kháng bù ngang:
Hình 3.1- Tốc độ phục hồi độ bền điện của máy cắt điện
Hình 3.2 - Sơ đồ tính toán máy cắt có điện trở Sun
Hình 3.3: Sơ đồ tính toán quá điện áp lúc đóng không tải đường dây
Hình 3.4 - Sơ đồ tính toán quá điện áp lúc cắt đường dây không tải
Hình 3.5 - Sơ đồ ghép điện trở Shunt trong các máy cắt

Hình 3.6 - Ảnh hưởng của điện trở Shunt đến quá điện áp lúc đóng
đường dây không tải
Hình 3.7. Đường dây có kháng điện đặt ở cuối đường dây
Hình 3.8: Phân bố điện áp khi kháng điện đặt cuối đường dây
Hình 3.9: Đường dây có kháng điện đặt ở giữa đường dây
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng đường dây Yali-Plêiku-Đà Nẵng
Hình 4.2. Cửa sổ nhập số liệu nguồn điện
Hình 4.3: Nhập số liệu cho đường dây
Hình 4.4: Nhập số liệu cho điện cảm
Hình 4.5: Nhập số liệu cho máy cắt phía Pleiku
Hình 4.6: Nhập số liệu cho máy cắt phía Đà Nẵng
Hình 4.7: Đường cong quá điện áp của các pha tại nút Đà Nẵng
(trường hợp tiếp điểm máy cắt đóng đồng thời, góc đóng 0o)
Hình 4.8: Đường cong quá điện áp của các pha tại nút Đà Nẵng
(trường hợp tiếp điểm máy cắt đóng đồng thời, góc đóng 90o)
Hình 4.9: Đường cong quá điện áp của các pha tại nút Đà Nẵng
(trường hợp tiếp điểm máy cắt đóng không đồng thời)
Hình 4.10. Đồ thị điện áp ở cuối đường dây trong chế độ cắt không tải
Hình 4.11: Đường cong quá điện áp của các pha tại nút Đà Nẵng
(trường hợp tiếp điểm máy cắt đóng đồng thời, góc đóng 0o)


- 10 -

Hình 4.12: Đường cong quá điện áp của các pha tại nút Đà Nẵng
(trường hợp tiếp điểm máy cắt đóng đồng thời, góc đóng 90o)
Hình 4.13: Đường cong quá điện áp của các pha tại nút Đà Nẵng
(trường hợp tiếp điểm máy cắt đóng không đồng thời)
Hình 4.14. Đồ thị điện áp ở cuối đường dây trong chế độ cắt non tải
Hình 4.15: Mô hình mô phỏng sự phân bố quá điện áp dọc theo chiều

dài đường dây Pleiku - Đà Nẵng
Hình 4.16: Phân bố quá điện áp dọc theo chiều dài đường dây 500kV
Pleiku - Đà Nẵng
Hình 4.17: Chống sét van ZnO vỏ Polyme điện áp 500kV
Hình 4.18: Mô hình đơn giản hoá có lắp chống sét van trên đường dây
Pleiku - Đà Nẵng
Hình 4.19: Nhập số liệu cho chống sét van
Hình 4.20: Phân bố điện áp dọc đường dây khi đặt chống sét van ở các
vị trí khác nhau
Hình 4.21: Phương pháp đồ thị xác định năng lượng thông thoát qua
chống sét van
Hình 4.22: Mức năng lượng thông thoát qua chống sét van


- 11 -

MỞ ĐẦU
Hiện nay trên thế giới, các hệ thống điện phát triển theo con đường tập
trung hoá sản xuất điện năng với yêu cầu tăng không ngừng sản lượng điện.
Để thực hiện cần phải xây dựng các nhà máy điện lớn, phát triển và hợp nhất
các hệ thống năng lượng. Trong giai đoạn hiện nay, việc xây dựng và mở rộng
các nhà máy điện có điện áp cao và siêu cao có vai trò hết sức quan trọng. Do
đó cần thiết phải xây dựng và mở rộng các mạng điện có điện áp cao và siêu
cao.
Trong quá trình vận hành mạng điện có điện áp cao và siêu cao, một
trong những vấn đề đặc biệt được quan tâm là hiện tượng quá điện áp trên các
phần tử của lưới điện.
Quá điện áp làm tăng điện áp trên cách điện của thiết bị vượt quá giá trị
sử dụng cho phép của chúng ở điều kiện làm việc bình thường, từ đó gây nên
sự cố cho lưới điện.

Mức cách điện của hệ thống thường được chọn theo các điều kiện sau
đây:
1. Trị số điện áp làm việc lớn nhất cho phép trong thời gian dài.
2. Trị số của quá điện áp nội bộ.
3. Trị số của quá điện áp khí quyển.
Trong vận hành, quá điện áp tác dụng lên cách điện gồm có 2 loại: quá
điện áp khí quyển (hay còn gọi là quá điện áp sét) và quá điện áp nội bộ..
Ở lưới siêu cao áp và cực siêu cao áp, quá điện áp nội trở thành nguy
cơ số một đối với cách điện của hệ thống điện vì ở điện áp càng cao thì độ dự
trữ an toàn của cách điện càng thấp. Bảng sau cho trị số tính toán của quá điện
áp nội bộ (biểu thị qua p.u), các số liệu là cơ sở để tính toán thiết kế cách
điện.


- 12 -

Điện áp định mức (kV)

110÷220

300

500

750

1050

3

2,7

2,5

2,1

1,8

Quá điện áp nội bộ tính toán
(p.u)

Trong nhiều trường hợp thực tế quá điện áp nội bộ đã vượt qua giới hạn
thiết kế nêu trên …do đó ở các hệ thống điện này bắt buộc phải có các thiết bị
bảo vệ chống quá điện áp nội bộ.
Trong luận văn chỉ tập chung về quá điện áp nội bộ gây ra bởi thao tác
đóng cắt đường dây dài (không tải và non tải).
Các thao tác đóng cắt trong hệ thống sẽ gây nên sự thay đổi tham số
mạch điện và làm xuất hiện các quá trình quá độ bằng dao động L - C. Những
dao động này (thường là dao động cao tần) sẽ gây nên quá điện áp quá độ hay
còn được gọi là quá điện áp thao tác.
Đối với đường dây dài, quá điện áp quá độ là nguy cơ gây ra sự hư
hỏng trên cách điện. Cách điện cần phải được lựa chọn sao cho xác suất hư
hỏng thiết bị là đủ nhỏ và xác suất ngừng cung cấp điện phải đạt một giá trị
được chấp nhận theo quan điểm kinh tế. Vì chi phí cho cách điện thiết bị
chiếm tỷ lệ rất cao, khi điện áp càng cao thì chi phí cách điện càng tăng. Cho
nên việc giảm mức cách điện qua việc giảm mức quá điện áp là một trong
những giải pháp quan trọng, có hiệu quả kinh tế.
Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu tổng quan về quá điện áp quá độ trên
đường dây dài ở chế độ không tải, non tải. Tính toán quá điện áp khi đóng, cắt
đường dây dài 500kV ở chế độ không tải, non tải và biện pháp hạn chế.

Với mục đích nghiên cứu như trên, luận văn được thực hiện theo bố cục
nội dung như sau:
• Chương 1: Lý thuyết chung về quá điện áp nội bộ trên đường dây dài.
• Chương 2: Phương pháp phân tích quá điện áp trong lưới điện.
• Chương 3: Các biện pháp hạn chế quá điện áp quá độ.


- 13 -

• Chương 4: Ứng dụng chương trình mô phỏng trong hạn chế quá điện
áp nội bộ khi đóng cắt đường dây dài 500kV Pleiku - Đà Nẵng.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo và cô giáo trong Bộ môn
Hệ thống điện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các đồng nghiệp, bạn
bè đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian tác giả thực hiện luận
văn. Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với Thầy giáo PGS. TS.
Nguyễn Đình Thắng người đã quan tâm, tận tình hướng dẫn giúp tác giả xây
dựng và hoàn thành luận văn này. Vì thời gian có hạn, vấn đề nghiên cứu còn
khá mới mẻ nên bản luận văn không khỏi còn những thiếu sót. Tác giả rất
mong nhận được nhiều góp ý của các đồng nghiệp và bạn bè.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 30 tháng 3 năm 2010
HỌC VIÊN
Phạm Thị Phương Thảo


- 14 -

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ TRÊN
ĐƯỜNG DÂY DÀI
1.1. KHÁI NIỆM.

Trong quá trình vận hành lưới điện, một trong những vấn đề đặc biệt
được quan tâm là hiện tượng quá điện áp nội bộ trên các phần tử của lưới
điện.
Trị số quá điện áp nội bộ được duy trì bởi năng lượng của bản thân hệ
thống nên độ lớn của nó liên quan đến điện áp định mức của hệ thống, điện áp
định mức càng cao thì quá điện áp càng lớn nên quá điện áp nội bộ được biểu
thị bằng số bội của điện áp pha của hệ thống. Ngoài ra trị số quá điện áp nội
bộ còn phụ thuộc vào phương thức nối đất của điểm trung tính hệ thống, nếu
điểm trung tính cách điện đối với đất thì quá điện áp nội bộ có trị số lớn vì nó
phát sinh dưới tác dụng của điện áp dây, nếu hệ thống có trung tính trực tiếp
nối đất thì bé hơn vì phát sinh dưới tác dụng của điện áp pha.
Phương thức nối đất
của điểm trung tính

Điểm trung tính Điểm trung tính nối

Điểm trung tính

cách điện

đất qua cuộn dập hồ

trực tiếp nối đất

(60kV và thấp

quang (220kV và

(110 ÷ 220kV)

hơn)

thấp hơn)

Quá điện áp khi có hồ 3,15Uph
quang

ngắn

2,8Uph

2,3Uph

4 ÷ 4,5Uph

3Uph (220kV)

mạch

chạm đất
Quá điện áp khi cắt 4 ÷ 4,5Uph
máy biến áp không tải
Quá điện áp khi cắt 4Uph
đường dây không tải

3,5Uph(110kV)
4Uph

3Uph(220kV)
3,1Uph(220kV)

Khi tiếp điểm máy
cắt có điện trở


- 15 -

ghép song song có
thể giảm tới 2Uph.
Quá điện áp cộng 4 ÷ 4,5Uph

4 ÷ 4,5Uph

3 Uph

hưởng

Quá điện áp nội bộ là một trong những nguyên nhân gây ra sự cố lưới
điện. Nó tồn tại ở mọi cấp điện áp trong lưới điện. Đây là loại quá điện áp
thường khó nhận biết và phát hiện..
Quá điện áp nội bộ là cơ sở chủ yếu để lựa chọn cách điện của hệ thống
và trị số điện áp thí nghiệm tần số công nghiệp. Việc lựa chọn mức cách điện
cho từng cấp điện áp định mức là vấn đề có ý nghĩa rất lớn về kinh tế kỹ
thuật. Vì vậy việc nghiên cứu quá điện áp nội bộ và biện pháp hạn chế là điều
cần thiết.
Để nghiên cứu về quá điện áp nội bộ, vấn đề cần quan tâm là các
nguyên nhân gây ra quá điện áp nội bộ. Trong lưới điện có rất nhiều nguyên
nhân phát sinh ra chúng như thao tác đóng cắt điện theo kế hoạch, đóng cắt
điện khi giải trừ và khắc phục sự cố, …
Trong chương này ta sẽ nghiên cứu về nguyên nhân phát sinh hiện
tượng quá điện áp nội bộ trên đường dây dài và phương pháp nghiên cứu hiện

tượng quá điện áp nội bộ.
1.2. NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI
BỘ.
Đối với các đường dây truyền tải điện áp cao và siêu cao chứa các
thành phần điện cảm và điện dung nên có tính dao động, bình thường thì sự
dao động này không xuất hiện, chỉ khi nào trong lưới điện có tác động làm
thay đổi chế độ làm việc mới gây ra sự dao động năng lượng điện từ gây nên
quá điện áp trong lưới điện. Trong thực tế có nhiều nguyên nhân phát sinh ra
quá điện áp: có thể do tác động bên ngoài hay những sự kiện thông thường


- 16 -

xảy ra trong lưới điện (đóng cắt đường dây dài không tải, non tải;..). Với các
nguyên nhân khác nhau, người ta phân ra thành hai loại quá điện áp: quá điện
áp khí quyển (hay quá điện áp sét) hoặc quá điện áp nội bộ. Trị số quá điện áp
là một đại lượng ngẫu nhiên, mang tính thống kê. Quá điện áp khí quyển phụ
thuộc vào cường độ dòng điện sét và đặc điểm của các công trình của các
công trình bị sét đánh. Quá điện áp nội bộ phụ thuộc vào dạng thao tác, đặc
tính của mạng và của các thiết bị đóng cắt. Vì vậy khi lặp lại nhiều lần một
thao tác, mỗi đóng cắt có thể xuất hiện quá điện áp khác nhau.
Trong lưới điện người ta phân biệt các quá điện áp nội bộ khác nhau
theo các nguyên nhân gây ra chúng, quá điện áp nội bộ được tạm thời chia
làm hai nhóm: Quá điện áp quá độ và quá điện áp trạng thái.
1.2.1. Quá điện áp quá độ.
Quá điện áp quá độ hay còn gọi là quá điện áp thao tác vì quá trình gắn
liền với các thao tác đóng cắt, chuyển mạch lưới điện. Quá điện áp này sinh ra
do các dao động tự do năng lượng điện từ trong các thành phần điện cảm và
điện dung của lưới ở các quá trình quá độ khác nhau.
Căn cứ vào từng quá trình quá độ khi chuyển mạch nguời ta phân loại

thành các quá điện áp quá độ sau:
• Đóng đường dây hở mạch
• Cắt các tụ điện tập trung và đường dây non tải.
• Tự động đóng lại hay tự động đóng nguồn dự phòng.
• Cắt các dòng điện lớn (dòng điện ngắn mạch…)
• Cắt các dòng điện cảm nhỏ.
• Cắt khi có hồ quang gián đoạn xuống đất.
Các thao tác đóng cắt trong hệ thống sẽ gây nên sự thay đổi tham số
mạch điện và làm xuất hiện các quá trình quá độ bằng dao động L - C. Những
dao động này sẽ gây nên quá điện áp quá độ.


- 17 -

Trong vận hành khi đường dây không tải hoặc hở mạch ở đầu cuối,
dòng điện trên đường dây là dòng điện dung (IC). Dòng điện này khi đi qua
điện kháng của nguồn và của đường dây sẽ gây tăng áp phía đường dây. Vì
độ lớn của dòng điện dung tỷ lệ với chiều dài đường dây nên khi đường dây
càng dài thì hậu quả gây tăng áp nói trên càng trầm trọng. Trong trường hợp
đặc biệt khi đường dây có chiều dài 1500km thì điện áp đầu cuối hở mạch của
đường dây sẽ tăng vô cùng.
1.2.2. Quá điện áp duy trì.
Quá điện áp duy trì (hay còn gọi là quá điện áp trạng thái) được sinh ra
khi có những trạng thái xấu trong lưới điện như tăng điện dung các máy phát,
xuất hiện các điều kiện cộng hưởng hoặc cộng hưởng sắt từ… Quá điện áp
duy trì còn được gọi là quá điện áp tĩnh, quá điện áp duy trì có thể tồn tại
trong một thời gian dài, khi nào điện dung máy phát chưa giảm hoặc chưa
thay đổi các điều kiện mà ở đó xuất hiện cộng hưởng hay cộng hưởng sắt từ.
Năng lượng để duy trì biên độ của nó ở mức cao được các máy phát cung cấp
liên tục vào lưới.

Có thể nêu một số loại quá điện áp duy trì sau:
• Quá điện áp do tăng điện áp ở cuối đường dây hở mạch
• Quá điện áp duy trì khi ngắn mạch một pha xuống đất.
• Quá điện áp tần số công nghiệp do làm việc không đủ pha.
• Quá điện áp do cộng hưởng sắt từ.
Để đánh giá sự nguy hiểm của quá điện áp nội bộ đối với cách điện của
thiết bị điện đang sử dụng trong lưới cũng như để lựa chọn cách điện cho kết
cấu và thiết bị điện sẽ lắp đặt người ta sử dụng các thông số đặc trưng cho
quá điện áp nội bộ:
• Giá trị điện áp cực đại Umax
• Giá trị điện áp làm việc lớn nhất cho phép ULVmax


- 18 -

• Bội số quá điện áp

U max
U LV max

• Đường cong quá điện áp cho phép xác định thời gian tác động
quá điện áp lên cách điện.
• Thành phần thiết bị điện trên lưới bị quá điện áp tác động.
Biên độ điện áp là một trong các thông số chính của quá điện áp. Biên
độ điện áp này phụ thuộc rất nhiều yếu tố, phần lớn các yếu tố là đại lượng
ngẫu nhiên, nó thay đổi từ lần chuyển mạch này đến lần chuyển mạch khác,
từ quá trình này tới quá trình khác, đó có thể là giá trị điện áp tức thời trên
điện dung, hay là dòng trong cuộn cảm vào thời điểm chuyển mạch, điện cảm
hệ thống ngay trước thời điểm chuyển mạch,…
1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ.

1.3.1. Nghiên cứu bằng mô hình.
Nghiên cứu quá điện áp nội bộ bằng mô hình có thể thực hiện theo các
hướng sau:
- Tính toán trên máy tính;
- Các thí nghiệm mô hình hóa;
- Đo trực tiếp trong hệ thống điện;
- Phân tích kinh nghiệm vận hành.
Có rất nhiều nguyên nhân và yếu tố khác nhau gây nên quá điện áp nội
bộ, nhưng ở các thông số lưới cho trước và điều kiện chuyển mạch cho trước,
có thể tính toán hoặc lập mô hình tương tự đánh giá gần đúng giá trị của chúng.
Việc sử dụng máy tính cho phép tính tương đối chính xác đa số các dạng
quá điện áp nội bộ mà thực tế có thể chấp nhận. Tuy nhiên khó khăn là ở chỗ
các thông số thực tế để xác định giá trị quá điện áp là các đại lượng ngẫu nhiên.
Một khó khăn khi mô hình hoá quá điện áp của quá trình chuyển mạch,
đó là sự tái hiện chính xác trong mô hình những quá trình phi tuyến, như bão


- 19 -

hoà các lõi thép máy biến áp, vầng quang trên các dây dẫn truyền tải điện cao
áp và sự thay đổi điện trở thuần, điện cảm của đường dây trên không ở các tần
số khác nhau của dòng điện. Các quá trình phi tuyến này không thể mô hình
hoá và không để các mô hình giữ được các quá trình vật lý tương tự. Vì vậy
phải sử dụng những sơ đồ đặc biệt, kể cả đến các sơ đồ điện tử tương tự như
kỹ thuật máy tính. Tuy nhiên, khi chuyển việc xác định đặc tính quá điện áp
nội bộ trên máy tính cũng không giảm được hết các khó khăn kỹ thuật. Mục
đích cuối cùng không phải là tính toán một quá trình chuyển đổi ở các thông
số cho trước mà ta xác định sự phân bổ biên độ quá điện áp có thể trong quá
trình vận hành được tính đến:
- Sự biến đổi trong thống kê các thông số của lưới.

- Sự biến đổi các điều kiện ban đầu khi quá điện áp loại đó tiến triển.
- Cùng một lúc tính đến tất cả các yếu tố phi tuyến.
Kinh nghiệm nghiên cứu của các nước đã chỉ ra môi trường tối ưu để
giải quyết nhiệm vụ sẽ gồm mô hình vật lý và máy tính, trong đó máy tính
dùng để chuẩn bị các thông số ban đầu và điều khiển từng bước các quá trình
trong mô hình, tách các thông số và xử lý kết quả đo đạc trên mô hình.
Trên thực tế, người ta đã đi sâu vào phát triển những mô hình đặc biệt
có thể phân tích một trong các dạng quá điện áp: ổn định, chuyển mạch hoặc
sét: ví dụ về một vài mô hình sau:
Loại mô hình

Bộ tính dòng điện
xoay chiều

Bộ phân tích quá
trình chuyển mạch

Bộ phân tích bảo vệ
chống sét TBA

Hình 1.1: Phân loại mô hình nghiên cứu quá điện áp nội bộ


- 20 -

Các bộ phân tích quá trình chuyển mạch chuyên dụng để nghiên cứu
quá điện áp chuyển mạch: các phần tử của mô hình và máy đo trọn bộ có các
đặc tính với dải tần số rộng, ngoài ra chúng còn có các đặc điểm khác là có
những mô hình và cơ cấu chuyển mạch đặc biệt cho phép đóng tức thời hay
ngắt từng phần của sơ đồ tại pha cho trước ở điện áp và dòng điện tần số tần

số công nghiệp. Thay đổi tương ứng theo định luật phân pha đóng và cắt máy
ngắt vào thời điểm chuyển mạch của mô hình ta có thể nhận được sự phân bổ
biên độ quá điện áp cho dạng chuyển mạch đang xem xét.
1.3.2. Nghiên cứu bằng cách đo ghi các thông số trong điều kiện vận hành.
Sử dụng thiết bị ghi biên độ là phương pháp đơn giản nhất để đo quá
điện áp. Các cơ cấu này chỉ phản ứng với biên độ quá điện áp xuất hiện mà
không phụ thuộc vào hình dạng của chúng đồng thời chỉ ra bao nhiêu lần giá
trị quá điện áp vượt qua mức định trước trong khoảng thời gian theo dõi.
Trong mỗi pha của lưới nghiên cứu người ta bố trí các bộ đếm trọn bộ với
mức tác động khác nhau, nhờ đó có thể nhận được hàng loạt điểm của đường
cong tích phân biên độ và đồng thời đánh giá số lần quá điện áp sau một
khoảng thời gian quan sát nhất định. Phương pháp này có nhược điểm là độ
ổn định điện áp đánh thủng không cao và sự tăng điện áp ở các xung có thời
gian ngắn. Sử dụng phương pháp này, kinh phí để tiến hành đo quá điện áp
trực tiếp trong lưới điện thường ít phụ thuộc vào giá thành bản thân thiết bị
ghi mà phần lớn chi phí là để thành lập sơ đồ đấu nối vào lưới cao áp.
Ngoài ra, người ta còn nghiên cứu bằng cách đo ghi quá điện áp bằng
các vôn kế nhảy tự ghi. Phương pháp này cho kết quả là đồ thị biên độ điện áp
của lưới nghiên cứu ghi trên băng chuyển động chậm. Nhờ vậy cho phép xác
định trên đồ thị thời gian xuất hiện quá điện áp ta xét ví dụ về sơ đồ khối bộ
đo dùng vôn kế nhảy do trường Đại học Bách Khoa Petecbua thiết kế. Thiết
bị gồm: bộ đầu vào chứa tụ có hệ số phẩm chất cao để làm bộ nhớ, bộ ghi và


- 21 -

bộ biến đổi, máy phát chia độ và bộ nguồn. Bộ biến đổi thay đổi dạng tín hiệu
vào, giữ nguyên biên độ và tăng công suất và độ dài xung chút ít, sau đó tín
hiệu đưa tới đầu vào bộ ghi, bộ này có thể sử dụng các ampe mét tự ghi, hay
vônkế số. Dụng cụ cho phép ghi lại biên độ quá điện áp liên tiếp theo nhau

trong khoảng thời gian 0,2 (s). Trong trường hợp 2 xung liên tục trong thời
gian nhỏ hơn 0,2 (s) thì bộ đầu vào sẽ nhớ biên độ của xung lớn hơn.
Tuy nhiên nếu sử dụng phương pháp đo này thì việc chọn mức cách
điện tối ưu hay để chọn đặc tính cho các thiết bị bảo vệ sẽ gặp khó khăn vì
các kết quả đo không chỉ ra đâu là quá điện áp khí quyển và đâu là quá điện
áp nội bộ. Do đó, để phân biệt rõ các xung quá điện áp do sét với quá điện áp
nội bộ ở độ tin cậy cho phép cần phải có các bộ ghi biên độ kèm các thông số
và dạng xung quá điện áp.
Sử dụng bộ ghi bằng máy hiện sóng là phổ biến hơn cả. Sự phát triển
vượt bậc của kỹ thuật điện tử đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi máy hiện sóng
trong nhiều điểm của lưới điện để nghiên cứu và tiến hành đo đạc các xung
quá điện áp.
Để chế tạo một thiết bị chuyên dụng để ghi quá điện áp trong lưới điện
cao áp yêu cầu phải có tối thiểu 3 kênh để ghi quá trình xảy ra trên 3 pha; cần
phải đảm bảo đủ nhanh để khởi động và có đủ độ rộng phân bổ đều đặc tính
tần số.
Sự đo đạc quá điện áp nội bộ trực tiếp trong lưới điện có thể thực hiện
nhờ các dao động ký có tia tự động ghi quá điện áp nội bộ hoặc các bộ ghi từ.
Bộ tự động ghi quá điện áp nội bộ có thể sử dụng để ghi quá điện áp ở
lưới 3 pha xoay chiều ở bất kỳ điện áp nào nếu có biến áp đo lường chuẩn và
bộ chia áp chuyên dụng.


- 22 -

Bộ đếm dùng đèn Catốt nguội
Khe hở phóng điện
Bộ đếm dùng bóng điện tử

Các bộ ghi biên độ

Bộ đếm dùng bóng bán dẫn
Bộ ghi sóng xung
Bộ ghi cảm biến

Thiết bị dùng để
nghiên cứu quá điện
áp nội bộ

Bộ ghi từ
Vôn kế nhảy
Máy ghi băng từ
Dao động ký quét tia

Các bộ ghi bằng dao
động ký

Bộ tự động ghi quá điện áp nội bộ

Bộ tự động ghi quá điện áp sét
Hình 1.2: Thiết bị dùng để nghiên cứu quá điện áp nội bộ
1.4. NHẬN XÉT.
Qua lý thuyết đã nêu như trên, có thể thấy rằng quá điện áp quá độ có
thể đạt được các giá trị lớn nhất ở một chế độ và cũng như vậy ở chế độ khác
của lưới - trong trường hợp không có phụ tải tác dụng và chế độ không đối
xứng hay không đủ pha, do ngắn mạch gây ra. Điều này giải thích xác suất


- 23 -

lớn của sự đồng thời xuất hiện quá điện áp trạng thái lớn và quá điện áp quá
độ lớn. Trường hợp nguy hiểm đối với cách điện thường xuất hiện trong vận
hành là kết quả xếp chồng các xung chuyển mạch lên quá điện áp trạng thái.
Biên độ quá điện áp quá độ, như đã biết trong phần tổng quan, tỷ lệ với điện
áp trên thanh cái trong thời điểm chuyển mạch. Hiển nhiên, khi tồn tại quá
điện áp trạng thái có thể dẫn đến sự tăng biên độ quá điện áp quá độ tỷ lệ với
chúng.
Từ nghiên cứu thấy rằng một trong các dạng quá điện áp quá độ hay
xảy ra trong lưới điện là quá điện áp khi chuyển mạch theo kế hoạch hay
chuyển mạch sự cố các đoạn đường dây tải điện. Các loại quá điện áp nội bộ
này là sự nguy hiểm đối với cách điện của thiết bị. Hiện nay việc nghiên cứu
quá điện áp nội bộ và các biện pháp hạn chế chúng vẫn đang được tiếp tục và
phát triển.


- 24 -

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ
Ngoài các chế độ làm việc bình thường lâu dài, các chế độ ngắn hạn có
thể xảy ra trên các đường dây dài. Các chế độ này không phải là chế độ sự cố,
vì các chế độ này xảy ra trên đường dây và các thiết bị ở trong trạng thái bình
thường. Các chế độ như vậy gọi là chế độ đặc biệt của đường dây dài.
Tuy các chế độ đặc biệt xảy ra trong thời gian rất ngắn nhưng lại có ý
nghĩa quan trọng đối với sự làm việc của đường dây dài. Do vậy trong khi
thiết kế và vận hành các đường dây điện áp siêu cao cần phải chú ý đến các
chế độ này.
Một trong các chế độ đặc biệt của đường dây dài cần phải quan tâm là
các chế độ của đường dây có tải rất nhỏ hay là các chế độ khi đường dây hoàn
toàn không có tải.
Chuyển mạch đường dây tải điện được phân thành hai giai đoạn: khi

cắt mạch trước tiên tiến hành cắt phụ tải sau đó cắt đường dây không tải. Khi
đóng mạch: đầu tiên đóng đường dây không tải sau đó đóng phụ tải. Các đo
đạc cho thấy rằng quá điện áp nội bộ trên đường dây chỉ xuất hiện khi chuyển
mạch đường dây không tải lúc thao tác đóng điện hay cắt điện. Các chuyển
mạch có tải không kèm theo quá điện áp trên đường dây hay gây ra quá điện
áp có bội số nhỏ, mà có thể bỏ qua.
Ở chương trước đã xem xét nguyên nhân và một số phương pháp
nghiên cứu quá điện áp nội bộ. Trong phần này, ta sẽ xem xét cách tính toán
các loại quá điện áp thường xảy ra trong lưới (quá điện áp nội bộ khi đóng cắt
đường dây dài). Tính toán trên góc độ khác nhau, cách tính toán trên cơ sở lý
thuyết mà cơ bản dựa trên xác suất phân bố của các thông số: sức điện động
nguồn, điện áp, tần số, thời điểm chuyển mạch… theo thời gian và các quá